Отримання очищених препаратів

При виробництві ферментів, амінокислот, антибіотиків і інших продуктів мікробного синтезу стоїть завдання виділити цільовий продукт з культуральної рідини і отримати його в чистому вигляді. Це складне технічне завдання, для її вирішення потрібне багатостадійне селективне розділення сумішей. В технології отримання очищених продуктів мікробного синтезу характерне зменшення масштабності стадій від початкових до кінцевих (зменшення об’єму рідини що переробляється). Це обумовлено малою концентрацією цільових продуктів в культуральнії рідині і їх концентрацією в процесі виділення і очищення. Наприклад, у виробництві антибіотиків вміст цільового продукту в культуральнії рідині складає всього 0,05—3,0%, а в перерахунку на сухий залишок (тобто ступінь чистоти продукту) —от 1 до 15%. Окремі етапи виробництва розрізняються і тривалістю — від декількох годинників до декількох діб.

У схемі виробництва очищених продуктів мікробного синтезу можна виділити чотири основних, практично загальних для всіх випадків етапу технології. Перший —мікробіологічний синтез; другий — розділення фаз культуральної рідини; третій — виділення концентрату або напівпродукту з відповідної фази (нативного розчину, біомаси, культуральної рідини); останній — отримання з концентрату або напівпродукту чистої речовини. Продукти мікробного синтезу виділяють безпосередньо з культуральної рідини без попереднього відділення біомаси, з водної фази (нативного розчину) після відділення біомаси або з біомаси після розділення фаз.

Перший спосіб використовують в тих випадках, коли розділення фаз з яких-небудь причин представляє великі труднощі; у промисловості він застосовується достатньо рідко. Технологічно вигідніше виділяти продукт з нативного розчину. Це можливо, якщо цільовий продукт після закінчення біосинтезу знаходиться у водній фазі або може бути переведений в неї зміною значення рН. У тих випадках, коли цільовий продукт практично не розчиняється у воді, його виділяють з твердої фази— біомаси.

Розділення фаз культуральної рідини. Ця процедура вимагає великих витрат, оскільки пов’язана з переробкою великих об’ємів суспензій. Для інтенсифікації цієї стадії і зниження втрат цільового продукту рідина перед розділенням фаз, як правило, піддають спеціальній обробці. В результаті змінюється структура осаду, що забезпечує максимальний ступінь переходу продукту в ту фазу, з якої його далі виділяють, а також видалення домішок, що утрудняють добування цільового продукту. Залежно від вимог до повноти відділення дисперсної фази і особливостей культуральної рідини для розділення використовують процеси фільтрації, відцентрової сепарації або фракціонування на віброситі.

При виділенні продуктів мікробного синтезу з нативного розчину або біомаси в промислових умовах вибір методів обмежений і визначається фізико-хімічними властивостями цих продуктів. Так, для виділення антибіотиків використовують екстрагування, іонообмінну сорбцію, осадження продукту з нативного розчину, сорбцію з нативного розчину макропористими неіоногенними сорбентами і екстракцію з біомаси органічним розчинником.

Одне з провідних місць в технології виділення біологічно і активних речовин з нативних розчинів займають процеси екстрагування. Розчинник, рН середовища, співвідношення фаз і інші умови підбирають так, щоб концентрувати цільовий продукт не менше чим в 2—5 разів, а також забезпечити високу вибірковість процесу. Так, якщо продукт, що виділяється, є кислотою, то в кислій водній фазі залишаються практично всі речовини, добре розчинні у воді, органічні основи, а також кислоти, сильніші, ніж екстрагована. Якщо вміст цільового продукту в нативном розчині зазвичай досягає 15—20%, то в екстракті воно підвищується до 80—85%, тобто вдається відокремити більше 80% домішок. Слід зазначити, що домішки, ті, що перейшли в екстракт, як правило, близькі по хімічній структурі до цільового продукту, і їх відділення може бути утруднене.

Іонообмінну сорбцію доцільно застосовувати для виділення продуктів біосинтезу лише при чималій обмінній місткості сорбенту по цільовому продукту (близько 10 мг-екв на 1 г сорбенту). Іонообмінну сорбцію використовують для виділення речовин, що є достатньо сильними електролітами і ті що дисоціюють у водному середовищі з утворенням багатозарядних іонів. Підбір сорбентів, умов сорбції і елюції забезпечує високу селективність процесу і дозволяє концентрувати цільовий продукт в 10 разів і більш. Іонообмінну сорбцію застосовують також для подальшого очищення біологічно активних речовин, проводячи за допомогою спеціальних сорбентів демінералізацію, нейтралізацію і обезбарвлення розчинів. Переваги методу іонообмінної сорбції —простота апаратурного оформлення і відсутність потреби в органічних розчинниках, недоліки — значна тривалість процесу і необхідність регенерації сорбентів.

Для селективного виділення з нативних розчинів деяких продуктів метаболізму з середньою молекулярною масою, добре розчинних у воді і таких, що мають гідрофільна і гідрофобну частини, знайшли застосування макропористі сорбенти неіоногенного типу. Концентрація продукту при цьому значно менше, ніж при іонообмінній сорбції, що пов’язане з меншою сорбційною місткістю по витягуваній речовині. Разом з тим сорбція макропористими сорбентами дозволяє виділяти з нативного розчину продукти, які не можуть бути витягнуті іншими відомими методами (наприклад, цефалоспорин С).

Метод осадження або кристалізації з нативних розчинів застосовується для виділення речовин, здатних утворювати з деякими реагентами нерозчинні з’єднання або кристалізуватися за певних умов з водного середовища. Основним чинником, що обмежує застосування процесу осадження біологічно активних речовин з нативного розчину, є низька концентрація цих речовин в розчинах (зазвичай не більше 1—2%). При цьому залишкова концентрація цільового продукту в матковому розчині не повинна перевищувати 0,1 — 0,2% (інакше помітно зростають втрати продукту). Метод осадження знайшов промислове застосування у виробництві ферментів і тетрациклінових антибіотиків. В деяких випадках він дозволяє відокремити з’єднання, близькі до цільових продуктів по хімічній структурі.

Екстрагування цільового продукту органічним розчинником з біомаси використовують в тих випадках, коли він не розчиняється у водному середовищі і міститься головним чином в твердій фазі. Продукт екстрагують з вологої або висушеної біомаси, підбираючи розчинник, що забезпечує отримання достатньо концентрованого екстракту. Потім розчинник випаровують і виділяють цільовий продукт з екстракту.

Виділення цільової речовини і отримання готового продукту. На наступному етапі технологічного циклу цільовий продукт відокремлюють від основної маси домішок і концентрують. При цьому використовують в основному ті ж процеси, як і при виділенні продукту з нативного розчину в різних поєднаннях. У необхідних випадках проводять додаткове очищення розчинів спеціальними сорбентами.

На останній стадії виробництва цільовий продукт виділяють у вигляді твердої фази за допомогою кристалізації (осадження) з подальшою сушкою або випаровуванням розчинника з відповідного розчину. Отриманий твердий продукт після подрібнення і фасування направляють споживачам або використовують для приготування лікарських форм препаратів.

Кількість і зміст технологічних етапів, що проводяться на двох останніх стадіях виробництва, визначаються, з одного боку, складом культуральної рідини, що переробляється, з іншого боку — вимогами, що пред’являються до чистоти готового продукту. Найбільші труднощі виникають в тих випадках, коли мікроорганізми продукують разом з цільовим продуктом комплекс близьких до нього по хімічній природі речовин.

Докладніший опис конкретних процесів, використовуваних для виділення і очищення продуктів мікробного синтезу, приведений нижче.

Флотація

Цей спосіб концентрації суспензій застосовують у виробництві кормових дріжджів. Він полягає в тому, що отриману на стадії біосинтезу культуральну рідину вспенивают, і при цьому велика частина дріжджів концентрується в пінній фракції. Відокремлюючи піну від основної маси рідини, отримують напівпродукт із змістом біомаси в 2—4 рази вище, ніж в початковій культуральній рідині.

Рис. Схема флотатора

1 — штуцер для виходу суспензії, що згущує; 2 — механічний піногасник; 3— корпус; 4 — труба подачі води ; 5 — внутрішній стакан; 6 — штуцер для введення дріжджової суспензії; 7 — штуцер для виведення освітленої рідини.

Процес здійснюють в спеціальних апаратах — флотаторах. Вони є циліндровою місткістю, в якій встановлений стакан меншого діаметру. Кільцевий простір між стінками корпусу і стакана розділений вертикальними перегородками на декілька секцій; перегородка між першою і останньою секціями суцільна (доходить до дна), а інші до дна не доходять. У нижній частині секцій, встановлені барботери, а у верхній частині центрального стакана – механічний дисковий піногасник. Дріжджова суспензія подається в першу, найбільшу секцію флотатора і послідовно проходить через всі секції, перетікаючи під вертикальними перегородками. Через барботери подається повітря, і відбуваються інтенсивне піноутворення і флотація дріжджів. Піна, що утворюється, переливається через верхній край внутрішнього циліндра і потрапляє в зону дії пристрою для механічного пеногашения (у необхідних випадках на його диск додатково подають воду або хімічний пеногаситель. Зібрана у внутрішньому стакані суспензія дріжджів, що згущує, відводиться через штуцер і поступає на сепараторів для подальшої концентрації. Звільнену від дріжджів рідину після попереднього очищення скидають в каналізацію. Втрати дріжджів на стадії флотації складають зазвичай 5-7%.

ЦЕНТРИФУГУВАННЯ

У мікробіологічній промисловості центрифуги широко використовують для розділення суспензій, що містять до 5—10% твердої фази (найчастіше, мікробних кліток), і для сепарації емульсій.

Двофазну систему залежно від властивостей можна розділити методом відцентрового фільтрування або відцентрового осадження, тому центрифуги діляться на ті, що фільтрують (фільтруючі) і осаджувальні. У свою чергу, серед осаджувальних центрифуг зазвичай виділяють велику групу з барабанами тарільчатого типу, звану рідинними сепараторами.

Швидкість розділення сумішей в центрифугах значно вища, ніж у фільтрах і відстійниках, завдяки більшій рушійній силі, що виникає при обертанні ротора центрифуги разом з суспензією, що знаходиться в нім, або емульсією. Ефективність роботи центрифуги кількісно оцінюється чинником розділення. Він показує, в скільки разів відцентрове прискорення, що розвивається в центрифузі, більше прискорення вільного падіння:

Фр=ω² R/g

де Фр —фактор розділення (або критерій Фруда —Fr); ω — кутова швидкість обертання ротора, с^-1; R — радіус обертання частинки (відстань від частинки до осі ротора), м; g — прискорення вільного падіння, м/с².

Залежно від значення Фр центрифуги підрозділяють на звичайні (Фр<3500) і надцентрифуги (Фр>3500), а залежно від організації процесу — періодичної і безперервної дії.

Розглянемо принцип дії осаджувальної центрифуги на прикладі машини з ротором трубчастого типу. Суспензія поступає у внутрішню порожнину ротора через донний штуцер. При обертанні ротора відбувається осадження твердих частинок, що містяться в суспензії, на його внутрішніх стінках, а освітлена рідина викидається через верхню частину ротора і збирається. Швидкість осадження частинок суспензії залежить від співвідношення між відцентровою силою, що діє на тверду частинку, і силою опори середовища. Відцентрова сила F_ц направлена радіально від осі ротора до периферії і для частинок сферичної форми рівна

F_ц=4/3 π (ρ_ч - ρ_ж)r³ ω²R

де ρ_ч та ρ_ж — щільність твердої частинки і рідини, кг/м³; r —радиус частинки, м; з — кутова швидкість обертання рідини, с^-1; R — радіус обертання частинки, м.

Сила опору середовища F_с згідно закону Стокса, рівна:

F_с = 6 π η r v

де η |—дsнамsчна в’язкість рідини, Па-с; v — швидкість руху частинки, м/с.

Швидкість осадження частинок твердої фази в центрифузі визначається з умови рівності відцентрової сили і сили опору середовища

4/3 π (ρ_ч - ρ_ж)r³ ω²R=6 π η r v

Звідки

V = 2 (ρ_ч - ρ_ж)r² ω²R/=9 η

Осад

Швидкість осадження частинок твердої фази зростає із збільшенням частоти обертання ротора центрифуги, радіусу обертання частинок, їх розміру, а також із зростанням різниці щільності твердої і рідкої фаз. Ефективність процесу центрифугування знижується із збільшенням в’язкості середовища.

Сепаратори бувають відкриті (), закриті і герметичні (процес відбувається під тиском).

Один з найбільш поширених видів центрифуг, вживаних в мікробіологічній промисловості, - сепаратори. На відміну від інших центрифуг в сепараторові є пакет конічних тарілок, закріплених на валу ротора. Суспензія, що розділяється, через розподільну трубу і внутрішню порожнину тарілкотримача подається до нижньої (периферичною) частини міжтарільчатого простору барабана. При цьому важчі частинки твердої фази відкидаються до нижніх поверхонь тарілок, сповзають вниз і накопичуються на стінці барабана у вигляді твердого осаду або суспензії, що згущує. Освітлена рідка фаза відводиться з верхньої частини барабана.

Залежно від способу вивантаження осаду сепаратори ділять на машини безперервно-циклічної дії з ручним або механізованим вивантаженням осаду і безперервної дії. У сепараторах безперервно-циклічної дії рідкі (точніше, текучі) фракції віддаляються з барабана безперервно, а твердий осад — періодично, у міру накопичення. При розділенні емульсій з мінімальним змістом твердих частинок (до 0,1%) використовують сепараторів з ручним вивантаженням осаду, при розділенні суспензій із змістом твердої фази до 3— 5% —с механізованим вивантаженням осаду під дією відцентрової сили. Осад в такому сепараторові вивантажується періодично, після припинення подачі суспензії. За допомогою спеціального механізму відкривають отвори в зовнішній стінці барабана, через які осад віддаляється.

Сепаратори безперервно забезпечують розділення дії суспензій з безперервним відведенням всіх фракцій, що утворюються.

Для вивантаження осаду в таких машинах використовують сопла або клапани, встановлені в периферичній частині барабана.

Сепаратори безперервно-циклічної дії з механізованим вивантаженням осаду широко застосовують для відділення біомаси у виробництві антибіотиків, ферментів, бактерійних препаратів. Для розділення дріжджових суспензій використовують в основному сепаратори безперервної дії різної продуктивності.

ФІЛЬТРАЦІЯ

У виробництвах, де цільовим продуктом є один з метаболітів, розчинений в культуральній рідині, для відділення кліток біомаси від розчину найчастіше використовують фільтрацію. Вона полягає в розділенні суспензії при її пропусканні через пористу перегородку. Основна характеристика процесу — швидкість фільтрації (кількість фільтрату, що отримується з одиниці фільтруючої поверхні в одиницю часу). Швидкість фільтрації прямо пропорційна різниці тиску з обох боків фільтрувальної перегородки і обернено пропорційна гідравлічному опору перегородки з шаром осаду, що накопичився на ній:

dV/Fdτ = Δp/ η(R_оc-R_ф.п.)

де V —обєм фільтрату, м³; F — площа поверхні фільтрації, м²; τ — тривалість фільтрації, з; Δp — різниця тиску, Па; η — в’язкість фільтрату, Па с; R_оc — опір осаду, м^-1; R_ф.п — опір фільтрувальної перегородки, м^-1.

Опір осаду залежить від його фізико-механічних властивостей і товщини, і його можна визначити по формулі

R_оc = r_осm_ocV/F

де R_оc — питомий опір шару осаду масою 1 кг на площі 1м², м/кг; m_oc — маса осаду, що виділяється з 1 м3 суспензії, кг/м³.

Підставивши вираз (9.2) в (9.1), отримаємо диференціальне рівняння, що описує процес фільтрації для нестискуваного осаду на нестискуваній перегородці:

dV/Fdτ = Δp/ η(r_осm_ocV/F + R_ср.п)

Як видно з рівняння (9.3), в процесі фільтрації з накопиченням осаду гідравлічний опір лінійно зростає, що призводить до безперервного зниження швидкості фільтрації. Крім того, осад, що утворюється, зазвичай здатний стискатися, тому при підвищенні тиску шар ущільнюється, і замість очікуваного збільшення швидкості фільтрації спостерігається її зниження.

Процес фільтрації, при якому відбувається накопичення осаду, здійснюють у фільтрах застарілої конструкції — фильтр-прессах. Вони характеризуються низькою швидкістю фільтрації, але головне — низьким ступенем механізації (вивантаження осаду проводять уручну); неможливо забезпечити дотримання санітарно-гігієнічних вимог.

З метою підвищення продуктивності устаткування фільтрації і зниження витрат ручної праці все ширше застосовують фільтри з механізованим зніманням осаду, зокрема барабанні вакуум-фільтри. Вони представляють барабан, занурений нижньою частиною в ємність, куди безперервно поступає культуральна рідина. Поверхня барабана перфорована і обтягнута фільтруючою тканиною, а сам барабан роздільний перегородками на секції. При його обертанні секції послідовно підключаються до збірок фільтрату, промивних вод і до колектора стислого повітря.

Під дією розрідження у внутрішній частині барабана відбувається фільтрація культуральної рідини. Фільтрат, що утворюється, відводиться в збірку, а осад залишається на зовнішній поверхні фільтрувальної тканини. Після проходження зон тієї, що підсушила, промивання і вторинної підсушила осідань віддаляється за допомогою ножа, закріпленого на певній відстані від поверхні барабана. Таким чином, товщина шару осаду в зоні фільтрації практично незмінна, що дозволяє вести процес фільтрації в безперервному режимі при постійній швидкості.

Проте при фільтрації деяких культуральних рідин, зокрема культуральній рідині актиноміцетів, питомий опір драглистого осаду, що утворюється, дуже великий. Навіть тонкий шар осаду, який залишається після того, що зрізає ножем, призводить до різкого зниження швидкості фільтрації. Для інтенсифікації процесу рідину заздалегідь обробляють (кислотна або теплова коагуляція обробка електролітами) або використовують барабанні вакуум-фільтри з намивним шаром допоміжного матеріалу фільтрації. Останній є тонкодисперсний порошком (найчастіше перліт або діатоміт), який намивають на фільтрувальну тканину перед початком фільтрації культуральної рідини. Він оберігає пори фільтрувальної тканини від закупорювання, збільшуючи тим самим швидкість фільтрації. Крім того, в барабанних вакуум-фільтрах, призначених для роботи з намивним шаром, передбачено повільне переміщення ножа для того, що зрізає осаду до поверхні барабана в процесі фільтрації (0,1—0,2 мм за оборот). Це забезпечує постійне оновлення поверхні фільтрації і, отже, високу швидкість фільтрації. Наприклад, при фільтрації культуральної рідини тетрацикліну на барабанному вакуум-фільтрі з намивним шаром перліту досягається середня швидкість фільтрації 150—180 л/(м2-ч), а для фільтр-пресу цей показник не перевищує 25—30 л/ (м2-ч).

МЕМБРАННІ способи РОЗДІЛЕННЯ

Звичайна фільтрація використовується для відділення від рідини достатньо крупних частинок твердої фази (50—100 мкм і більш). Для відділення дрібніших частинок (2—5 мкм), а також для розділення розчинів використовують мембранні способи. До них відносяться мікрофільтрація, діаліз, електродіаліз, зворотний осмос і ультрафільтрація. Особливістю всіх цих методів є застосування напівпроникних мембран.

Достоїнства мембранних методів розділення біологічних суспензій і розчинів наступні: відсутність температурних, механічних і хімічних дій на продукт, що переробляється; простота апаратурного оформлення, відсутність рухомих деталей; низька енергоємність процесу; можливість забезпечення герметичності і асептики процесу.

Мікрофільтрація. Це процес, близький до звичайної фільтрації. Мікрофільтрація через пористі мембрани з діаметром пір від 0,1 до 10 мкм застосовується для відділення дрібних частинок твердої фази, зокрема мікроорганізмів (в цьому випадку її називають стерилізуючою фільтрацією). Завдяки великому числу пір на одиниці поверхні мембрани (кількість пір досягає 70—80% загального об’єму мембрани) процес мікрофільтрації протікає з достатньо високою швидкістю. Проте у міру накопичення затримуваних частинок у поверхні мембрани і закупорювання пір дрібними частинками швидкість фільтрації падає. Щоб запобігти цьому, використовують різні способи турбулизации середовища у поверхні мембрани, наприклад механічне перемішування або вібрацію. Процес мікрофільтрації зазвичай ведуть при різниці тиску 0,1—0,2 МП а.

Слід зазначити, що інтерес до мікрофільтрації як до способу стерилізації розчинів термолабільних компонентів засобів ферментацій останніми роками зріс.

Діаліз і електродіаліз. Діаліз - процес очищення розчинів високомолекулярних речовин (наприклад, ферментів) від розчинених в них низькомолекулярних речовин за допомогою напівпроникної мембрани.

З одного боку мембрани знаходиться початковий розчин, з іншої – чиста вода. Присутні в розчині низькомолекулярні речовини шляхом дифузії проходять через мембрану і віддаляються разом з водою. Це так званий діаліз проти води. Білки або інші високомолекулярні речовини, молекули яких більше пір мембрани, залишаються в розчині, і, таким чином, їх розчин очищається від низькомолекулярних домішок. Ступінь очищення залежить від співвідношення кількостей води і ліалізуємого розчину, тривалості діалізу і коефіцієнта дифузії. Так, при діалізі ферментного розчину протягом 24 ч і співвідношення розчину і води 1:50 кількість домішок (вуглеводів, амінокислот, зольних елементів і ін.) зменшується в 3,5—4 рази, а активність ферменту на 1 г сухих речовин зростає в 2,7—3,0 разу. Мембрани для діалізу виготовляють з пергаменту, армованого целофану і інших матеріалів.

Швидкість процесу дифузійного перенесення речовин при діалізі невелика. Вона значно вище тоді, коли домішки, що видаляються, заряджені. Для заряджених частинок застосовують електродіаліз. Він полягає в пропусканні постійного електричного струму через діліалізуємий розчин. При цьому позитивно заряджені іони рухаються через одну мембрану до катода, а негативні іони —через іншу мембрану до анода. Щоб уникнути зворотної дифузії при електродіалізі використовують селективні мембрани, проникні тільки або для аніонів, або для катіонів. Швидкість електродіалізу визначається в основному силою струму і змінюється в широких межах. Електродіаліз на відміну від звичайного диализа широко застосовують не тільки в лабораторних, але і в промислових умовах, наприклад, для очищення ферментних розчинів після осадження ферментів методом висолювання.

Ультрафильтрация. Так називають процес концентрації розчинів високомолекулярних з’єднань (наприклад, ферментів) з одночасним очищенням їх від низькомолекулярних домішок шляхом пропускання розчину через мембрану з порами розміром від 0,01 до 0,1 мкм. На відміну від мікрофільтрації або звичайної фільтрації при ультрафільтрації затримуються окремі молекули розчиненої високомолекулярної речовини; при ультрафільтрації відбувається не розділення фаз, а перерозподіл розчинених в рідкій фазі речовин. Тим часом проблема забивання пір фільтруючого матеріалу, характерна для звичайної фільтрації, має не менше, а можливо, і більше значення.

Важливою характеристикою будь-якої мембрани ультрафильтрационной є її селективність, що визначає ступінь затримання розчиненої речовини:

Селективність мембрани залежить від розмірів і форми молекул розчиненої речовини. Слід мати на увазі, що практично у всіх випадках існують молекули, що затримуються мембраною лише частково.

Для процесу ультрафільтрації характерне явище концентраційної поляризації — підвищення концентрації розчиненої речовини поблизу поверхні мембрани. Воно пов’язане з тим, що через мембрану проходять в основному молекули розчинника. Внаслідок цього знижується швидкість фільтрації. Для зменшення концентраційної поляризації застосовують хімічні інгібітори, що перешкоджають утворенню поляризаційного шару, або установки фільтрації спеціальної конструкції, де забезпечується турбулізація потоку або підвищення його швидкості при пропусканні через вузькі канали.

Для ультрафільтрації, як правило, використовують пористі полімерні мембрани на основі полиуретанов, складних ефірів целюлози, поливинилового спирту і ін. Такі мембрани отримують шляхом опромінювання зарядженими частинками полімерної плівки з подальшим її травленням. Для забезпечення механічної міцності в умовах гідравлічного тиску основну тонку мембрану прикріплюють до грубішої підкладки товщиною 125—250 мкм.

На практиці застосовують установки пластинчастого, трубчастого, рулонного типів, а також апарати з мембранами у вигляді порожнистих волокон.

Рис.. Схема установки с трубчатим фильтрующим елементом

Вони забезпечують максимальну питому поверхню фільтрації, герметичні і прості для обслуговування.

Зворотний осмос. Якщо розчин деякої речовини відокремлений від чистого розчинника напівпроникною перегородкою, то при рівності тиску з обох боків відбувається дифузія чистого розчинника в розчин. Рушійною силою цього процесу є градієнт концентрації, оскільки концентрація розчинника в розчині завжди нижча. Цей процес називають осмосом, а його рушійну силу— осмотичним тиском. Осмотичний тиск чисельно рівний зовнішньому тиску, який необхідно прикласти до розчину, щоб процес дифузії через мембрану припинився (точніше, досяг динамічної рівноваги). Якщо до розчину прикласти тиск вище осмотичного, то дифузія молекул розчинника відбуватиметься в протилежну сторону — з розчину в чистий розчинник. Процес, що супроводжується концентрацією розчину, отримав назву зворотного осмосу.

Процес зворотного осмосу принципово аналогічний ультрафільтрації і відрізняється лише тим, що для нього використовують мембрани з порами меншого розміру (до 0,01 мкм) і вищий тиск (7—8 МПа замість 0,3—1 МПа). За допомогою зворотного осмосу зазвичай концентрують розчини низькомолекулярних речовин, що характеризуються високим осмотичним тиском. Зворотний осмос застосовують також для отримання чистого розчинника (наприклад, в опріснювальних установках).

Устаткування, використовуване для проведення зворотного осмосу, подібно до установок для ультрафільтрації.

ОСАДЖЕННЯ

Осадженням називають процес, в якому додавання певних реагентів або зміна физико-хімічних умов викликає випадання розчиненої речовини (частіше за весь білок) в осад. Осадження широко застосовується у ферментній промисловості. Найчастіше для осадження ферментів використовують нейтральні солі (в цьому випадку процес називають висолюванням) або органічні розчинники, а також ме-" тоди, засновані на зміні температури або рН розчину, додаванні високомолекулярних полімерів і ін.

Висолювання. Відомо, що розчинність білків в розчинах солей нижча, ніж в чистій воді. Залежність розчинності від концентрації солі описується рівнянням

lgS = β-КC,

де S — розчинність білка, г/л; β,К - константи, що характеризують властивості білка і солі (β залежить також від температури і рН); С — концентрація соли, г/л.

Як видно з рівняння, додавання соли до розчину білка призводить до того, що при певній концентрації соли розчинність білка стає нижчим за його концентрацію в розчині, і білок починає випадати в осад. Ступінь осадження білка залежить від його початкової концентрації в розчині, концентрації соли і властивостей системи. На цьому явищі заснований процес висолювання білків. Він пов’язаний з посиленням орієнтації диполів води іонами солей, що приводить до руйнування шару гідрату навколо молекул білка і його коагуляції.

Найчастіше для проведення висолювання використовують сульфат амонію (завдяки його високій розчинності у воді і низькій вартості), рідше — хлорид натрію. Концентрація соли, що додається у ферментний розчин, зазвичай близька до концентрації насичення і для сульфату амонію складає 70—75 г на 100 мл розчину, що висолюється. Сіль додають в сухому вигляді, невеликими порціями, при постійному перемішуванні, щоб уникнути утворення локальних зон з підвищеною концентрацією соли. Після додавання розрахункової кількості соли осад утворюється не-відразу, а протягом деякого часу - від 30 хв до декількох годин.

Різні білки випадають в осад при різних концентраціях соли в розчині, у зв’язку з цим процес висолювання використовують не тільки для виділення ферментів, але і для їх очищення від небажаних домішок. Наприклад, осадження глюкоамилази сульфатом амонія в кількості 60% насичення приводить до неповного виділення цільового продукту. Та зате при цьому фермент практично повністю звільняється від супутньої йому глікозилтрансферази, що осідає при концентрації соли 90% насичення.

У осадках, отриманих при висолюванні, міститься від 25 до 80% соли, тому препарати харчового або медичного призначення необхідно піддавати додатковому очищенню (наприклад, за допомогою електродіалізу).

Осадження органічними розчинниками. При додаванні до розчину ферменту органічного розчинника (етанолу, метанолу, ізопропанолу, ацетону і ін.) знижується діелектрична постійна середовища. При цьому, як при висолюванні, руйнується оболонка гідрату білка, і він випадає в осад. Концентрація розчинника, необхідна для осадження різних білків, природно, також розрізняється, що дозволяє проводити їх фракціонування. Так, при осадженні етанолом комплексу ферментів з екстракту поверхневої культури Asp. oryzae КС близько 70—80% протеолітичних ферментів випадає в осад при концентрації спирту 50%, а амілази майже не осідають. Після відділення отриманого осаду і додавання до надосадкової рідини етанолу до концентрації 70—72% отримують осад, що містить переважно амілази.

На процес осадження ферментів органічними розчинниками істотно впливає температура. В більшості випадків цей процес проводять при температурі від 0 до 5°С; для цього водний розчин ферменту охолоджують до 1—2°С, а розчинник – до мінус 10—15°С з урахуванням того, що при змішуванні води із спиртом суміш нагрівається. Підвищення температури приводить до денатурації багатьох ферментів, оскільки їх термолабильность при додаванні органічних розчинників сильно зростає.

Недолік процесу осадження органічними розчинниками полягає в тому, що вживані реагенти порівняно дорогі, вогненебезпечні і вельми отруйні, тому потрібне виконання відповідних заходів безпеки. Не дивлячись на це, осадження органічними розчинниками досить широко застосовується у ферментній промисловості.

СУШКА

Сушка є кінцевою стадією виробництва багатьох продуктів мікробного синтезу, іноді її застосовують як проміжний процес при отриманні високоочищених препаратів.

Для сушки біологічних об’єктів застосовують різноманітні способи і установки. Вони розрізняються по агрегатному поляганню вологи у висушуваному матеріалі (сушка з рідкого стану або з твердого), а також за способом підведення теплоти (контактна, конвективна і радіаційна).

Вибір способу сушки залежить від виду початкового матеріалу (концентрированний розчин, паста, суспензія), його вологості, термостабильности і т.д. Найбільші труднощі зазвичай виникають при висушуванні живих мікроорганізмів у виробництві бактерійних препаратів і сухих дріжджів, ферментів, деяких антибіотиків і інших термолабільних препаратів.

При контактній сушці матеріал нагрівається в результаті безпосереднього зіткнення з гарячими поверхнями (плитами, вальцями і т. п.). На цьому принципі засновані шафові і вальцовие сушарки. Проте вони малопридатні для сушки термолабільних препаратів і мають ряд недоліків.

В процесі конвективної сушки теплота підводиться до висушуваного матеріалу за допомогою газоподібного сушильного агента-теплоносія, який служить і для відведення вологи, що випаровується. Цей метод найширше застосовується в біотехнології і лежить в основі роботи розпилюючих, пневматичних, аерофонтанних сушарок і сушарок з киплячим шаром.

При радіаційній сушці теплота передається від нагрітого джерела до висушуваного матеріалу за допомогою інфрачервоного випромінювання. Цей метод застосовується при сушці сублімації деяких мікробних препаратів.

Конвективна сушка. Сушильним агентом при конвективній сушці можуть бути повітря, топкові гази, а в окремих случаях—инертний газ. Інтенсивність сушки визначається швидкістю теплообміну між сушильним агентом і висушуваним матеріалом, яка залежить від коефіцієнта теплообміну, різниці температур (рушійної сили процесу теплопередачі) і поверхні контакту. Кількість теплоти, що передається висушуваному матеріалу в одиницю часу (у Вт)

Q = α(t_c-t_п)F,

де α — коефіцієнт теплообміну, Вт/(м2-К); t_c і t_п —температури сушильного агента і поверхні матеріалу, До; F — площа поверхні висушуваного матеріалу, м.

Як видно з рівняння, для підвищення швидкості теплопередачі і, отже, інтенсивності процесу сушки необхідно прагнути збільшити коефіцієнт теплообміну і поверхню висушуваного матеріалу. Перше досягається в основному шляхом створення відповідного аеродинамічного режиму в сушильній установці, друге — подрібненням матеріалу. Можливості підвищення температури сушильного агента, як правило, обмежені термочутливістю препарату.

Найбільш простій сушаркою, заснованою на конвективному теплопереносе, є пневматична сушарка. Повітря, підігріте в калорифері разом з тим, що подається через живильник матеріалом, поступає в сушильну трубу. Сухі частки препарату відділяються від повітря в циклоні, а відпрацьоване повітря поступає на додаткове очищення у фільтрі. Пневматичні сушарки застосовуються у виробництві деяких антибіотиків.

Ефективніша сушарка распилительного типу (мал. 9.9). У ній суспензія висушуваного матеріалу безперервно подається зверху на відцентровий механізм і розпилюється на частинки розміром 60—70 мкм. Теплоносій поступає знизу через направляючу насадку конічної форми з тангенціальними щілинами забезпечуючу високу швидкість руху теплоносія. Завдяки великій поверхні контакту, високим швидкостям руху частинок суспензії і сушильного агента висушування продукту відбувається швидко (10 – 15с). Висушені частинки осідають на дно сушильної камери і вивантажуються через нижній люк, а відпрацьований сушильний агент відводиться по трубі і прямує на очищення в циклони і скруббери.

Рис.. Схема сушарки з «киплячим» шаром:

1—сушильная камера; 2— газовод; 3, 8 —- калорифери; 4, 9 — вентилятори; 5 —гранулятор; 6, 10 — циклони; 7 — сітки.

Віднесення продукту з сушарки з відпрацьованим газом досягає 15—20%. Слід зазначити, що при сушці кормових дріжджів температура теплоносія на вході в распилительную сушарку від 300 до 400°С. Таку ж температуру мають і сухі дріжджі, що виходять з апарату; білки, що містяться в біомасі, при цьому не розкладаються.

Для висушування пастоподібних, сипких і рідких матеріалів використовують сушарки з киплячим шаром, в яких забезпечуються висока інтенсивність тепло- і масообміну, безперервність процесу. На малюнку зображена установка для сушки кормового концентрату лізину в суміші з висівками. Сушарка складається з двох камер, розділених подвійною сіткою; дном нижньої камери також служить подвійна сітка. Суміш рідкого концентрату лізину з висівками поступає в гранулятор і у вигляді тонких ниток видавлюється у верхню камеру сушарки. Під дією потоку гарячого повітря частинки пасти відриваються від гранулятора і підсушуються. Потік нагрітого повітря проходить через сітки першої і другої камер з швидкістю, що забезпечує підтримку гранул в зваженому стані і мінімальне віднесення частинок з сушарки з відпрацьованим повітрям. Сушка гранул в киплячому шарі відбувається спочатку на верхньому, а потім на нижньому ярусі сушарки. Висушені гранули через шлюзовий затвор вивантажуються з апарату і пневмотранспортом подаються в приймальний бункер.